多傳感器模塊緩解室內農業設計挑戰

受控環境農業（CEA，由于容納作物和基礎設施的多層設施，也稱為垂直農業）是一個有前途的利基市場。通過采用工業物聯網(IIoT) 并采用全封閉、氣候可控的環境來消除疾病、害蟲或季節性天氣變化等外部因素，綠葉蔬菜、香草和西紅柿等植物的產量可以大幅增加。該技術不依賴于昂貴的耕地，因此適合在任何地方建立——包括城市社區的中心。

垂直農業產生的高產量背后是一些領先的電子工程發展，包括無線傳感器、網狀網絡和云連接?；A設施對于 CEA 企業的成功至關重要，但由于復雜且耗時的設計、調試和配置，它會增加成本。構建當今 CEA 所需的工程專業知識和購買成本將其采用限制在大型、富有的組織中，并阻礙了技術傳播到它可能產生最大影響的地方，例如發展中國家。然而，電子產品制造商正在努力改變這一趨勢，他們推出的產品將垂直農業成功所必需的多個傳感器組合到一個模塊中，從而更容易實施并降低成本。

棘手的企業

分析公司 Statista 報告稱，雖然垂直農業發展勢頭迅猛，但隨著全球 CEA 市場在 2016 年達到約 15 億美元的價值，并預計到 2023 年將增長約 64 億美元，其采用目前僅限于富裕國家。研究分析師 MarketsandMarkets 指出，中國、日本、新加坡、美國 (US) 和荷蘭是迄今為止最大的參與者。同樣，盡管垂直農業所需的 LED、無線傳感器、互聯網連接以及在線軟件和硬件資源已得到證實且易于獲取，但大規模的商業實施卻很少見。相對稀缺的一個主要原因是 CEA 系統的設計和實施具有挑戰性。

垂直農業的成功取決于對農場環境的精確管理和維護。通過控制光強度和波長、溫度、濕度、氣流和 CO 2以及揮發性有機化合物 (VOC) 濃度等因素，監管人員可以確保植物盡可能快地生長，同時為消費者保留其審美、口味和營養價值。例如，研究表明，在 0.3 至 0.5mps 范圍內的恒定空氣流動（在恒定的蒸氣壓下）可使 CO 2和水蒸氣最佳地擴散到葉子中，以幫助光合作用并最大限度地促進美味綠葉蔬菜的生長。

這種對生長條件的精細管理需要基于計算機的閉環過程控制系統的監督，這些系統使用傳感器將數據無線轉發到設施內或遠程位置的監控計算機。如果傳感器讀數檢測到偏離最佳擴散速率的漂移，則監控計算機可以進行適當的調整以將條件重置回理想水平。連通性確保系統保留所有數據，并可以使用它來計算證明哪些條件最適合特定植物的生長。

例如，位于新澤西州紐瓦克的 AeroFarms 的 CEA 科學家在每次收獲時監測超過 130,000 個數據點。然后，技術人員將這些信息與預測分析一起使用，以審查、測試和增強下一次收獲的生長系統。

CEA 電子工程變得簡單

用于單個變量的閉環、網絡、無線傳感器系統的實施是一項挑戰，但當控制擴展到決定 CEA 成功的多個變量時，難度會大大增加。這些挑戰包括：

資助大量傳感器的安裝和維護，

構建和驗證基于傳感器的系統和相關的網狀網絡，

調試和配置多種傳感器類型，

確?？绱笮途W絡的無沖突通信，以及

管理廣泛傳感器群體的權力。

這些 CEA 工程挑戰的解決方案是以商業引入模塊的形式出現，這些模塊將多個傳感器集成到單個模塊上。TE Connectivity的AmbiMate傳感器模塊等產品在可直接連接的印刷電路板 (PCB) 組件上提供多個傳感器，以便輕松集成到主機產品中。每個模塊都結合了四個核心傳感器（即運動、光、溫度和濕度），而變體可以添加 CO 2、VOC 和聲音（麥克風）功能。

這些傳感器連接到單個機載微處理器并利用單個電源。嵌入式微處理器配備了一個 I2C 接口，可以相對簡單地連接到無線收發器進行數據傳輸。每個模塊變體都在相同的占地面積上制造，使設計人員可以在必要時輕松切換到不同的傳感器組合。最后，機載傳感器能夠以 CEA 所需的精度測量參數。例如，溫度和濕度傳感器分別提供 ±0.3°C 和 ±2% 的相對濕度 (RH) 測量精度，以及一秒的采集速率（圖 1）。

圖 1：TE Connectivity 的 AmbiMate 傳感器模塊 MS4 系列基于通用封裝，使設計人員更容易為特定應用定制最終產品。（來源：TE Connectivity）

通過將多個傳感器集成到一個模塊中，AmbiMate 的 MS4 系列等產品可以減少 CEA 過程控制系統中的節點數量，并緩解許多關鍵的工程挑戰。更少的節點導致更簡單的網絡和更低的復雜性和成本水平，并加速測試、配置和調試。

鼓勵垂直農業

傳統農業已經消耗了地球 40% 的土地，要找到更多種植作物的空間就需要砍伐寶貴的熱帶雨林。然而，據美國報紙《新聞周刊》報道，到 2050 年，糧食產量需要擴大 70%，才能養活預計將近 100 億的全球人口。

根據 CEA 全球協會的說法，垂直農業是答案，因為它結合了農業科學、工程和技術，一年 365 天在規?；统掷m的環境中以及在天氣和室外環境否則會限制或排除的地方種植新鮮食物生鮮食品生產。此外，將新鮮食品生產本地化到城市人口附近是明智且高效的。通過整合農業和工程，水、耕地和能源等有限資源的保護變得可行。

結論

毫無疑問，CEA 是一項很有前途的技術，考慮到運行最好的設施每年的產量比同等面積的傳統農田高出近 400 倍。盡管如此，它仍然是一個剛剛起步的企業，目前的進入門檻非常高，以至于除了非常富裕的國家之外，其他任何國家都被排除在采用這項技術之外。壁壘很高，因為 CEA 的成功在很大程度上依賴于目前復雜且昂貴的技術。TE Connectivity 的 AmbiMate 等多傳感器模塊的推出是簡化基于 CEA 的工程和發布技術以進一步幫助和養活世界的道路上邁出的重要一步。

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